Результат интеллектуальной деятельности: Вакуумная высокотемпературная нагревательная камера для обработки изделий

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к использованию в вакуумных высокотемпературных нагревательных камерах охлаждаемого теплозащитного экрана.

Известна вакуумная термическая установка «ULVAC FH90GHC» производства Японии, предназначенная для термообработки жаропрочных сплавов, в которой для защиты стенок нагревательной камеры служит футеровочноя теплоизоляция, изготовленная из графитового волокна.

Недостатками теплоизоляции из графитового или керамического волокна является ее высокая стоимость и малый ресурс работы, происходящий из-за выгорания волокна при высоких температурах в вакууме.

В вакуумной электрической печи «SECO/WARWTCK 2.0VP-4022/24MHV» для защиты стенок камеры нагрева применяют экранно-вакуумную теплоизоляцию, состоящую из нескольких слоев листового молибдена.

Недостатком экранно-вакуумной изоляции из молибденовых листов является ограниченность по величине применяемой температуры, малый ресурс работы, происходящий из-за больших термических деформаций листов молибдена и его охрупчивания при нагреве в вакууме.

Известна установка вакуумная плавильная «УППФ-3М» производства ОАО «Электромеханика» г. Ржев, в которой защитой стенок нагревательной камеры от теплового излучения служит охлаждаемый водой полый медный экран.

Недостатком известного устройства является ограниченность по величине применяемой температуры и большие термические деформации, происходящие из-за неравномерности нагрева поверхности экрана.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству является высокотемпературная вакуумная электропечь, содержащая водоохлаждаемый корпус с крышками, камеру, образованную Продольными и торцевыми экранами, нагревательные элементы, вентилятор, закрепленный к одной из крышек корпуса, торцевые экраны выполнены в виде шнеков (патент SU №1446434, кл. F27B 5/04, 1986).

Недостатком данного изобретения является сложность конструкции и не обеспечивается равномерный нагрев рабочего объема корпуса, что снижает качество обработки изделий.

Цель изобретения повышение надежности и увеличение ресурса работы вакуумной высокотемпературной нагревательной камеры при увеличении диапазона рабочих температур нагрева.

Поставленная техническая задача решается тем, что в вакуумной высокотемпературной нагревательной камере для обработки изделий, содержащей герметичный корпус, соединенный с вакуумным откачным постом, и размещенные в герметичном корпусе нагреватели и теплозащитные экраны. Герметичный корпус выполнен с откидной дверью, а нагреватели выполнены с возможностью обработки изделий при температуре 2000-3000°С, при этом теплозащитные экраны установлены между нагревателями и внутренними стенками корпуса и откидной дверью и выполнены полыми с возможностью охлаждения за счет заполнения их полостей водой с постоянной температурой 99°С из водонагревательного бака через гибкие теплоизолированные шланги с помощью высокотемпературного гидравлического насоса, причем на выходе из корпуса полости экранов соединены с водонагревательным баком с нижней стороны корпуса через охлаждаемый водой конденсатор водяного пара, а с верхней стороны корпуса через последовательно установленные пароэжекторный вакуумный насос и охлаждаемый водой конденсатор водяного пара, при этом незаполненная водой верхняя часть водонагревательного бака подсоединена Трубопроводом к входу в пароэжекторный вакуумный насос. Внутренние поверхности полостей теплозащитных экранов подвергнуты пескоструйной обработке.

Введение между нагревателями и внутренними стенками корпуса нагревательной камеры и откидной дверью охлаждаемых теплозащитных экранов с пескоструйно обработанными внутренними поверхностями и заполненными водой с постоянной температурой 99°С, поступающей из водонагревательного бака с помощью высокотемпературного гидравлического насоса, через гибкие теплоизолированные шланги, а на выходе из корпуса камеры полости экранов соединены с водонагревательным баком с нижней стороны через конденсатор водяного пара, а с верхней стороны через последовательно установленные пароэжекторный вакуумный насос и охлаждаемый водой конденсатор водяного пара, при этом незаполненная водой верхняя часть водонагревательного бака подсоединена трубопроводом к входу в пароэжекторный насос.

Такое решение позволяет повысить надежность и ресурс работы вакуумной высокотемпературной нагревательной камеры при увеличении диапазона рабочих температур.

Вакуумная высокотемпературная нагревательная камера изображена на чертеже.

1. Корпус нагревательной камеры

2. Откидная дверь

3. Вакуумный откачной пост

4. Нагреватели

5, 6. Охлаждаемые теплозащитные экраны

7. Обрабатываемое изделие

8. Высокотемпературный гидравлический насос

9. Водонагревательный бак

10, 11, 12, 13. Гибкие теплоизолированные шланги

14. Блок создания и поддержания температуры воды в водонагревательном баке

15. Пробка для залива воды в бак

16, 17. Конденсаторы водяного пара

18. Пароэжекторный вакуумный насос

19. Соединительный трубопровод

20. Манометр

21. Предохранительный клапанж.

Нагревательная камера состоит из охлаждаемого водой герметичного корпуса 1 с откидной дверью 2 и подсоединенного к нему вакуумного откачного поста 3. Внутри корпуса камеры 1 между графитовыми нагревателями 4 и внутренними стенками корпуса 1 и откидной дверью 2 размещены два полых металлических охлаждаемых теплозащитных термостатирующих экрана 5 и 6, внутренняя поверхность которых обработана пескоструйным способом для предания ей шероховатости. Обрабатываемое изделие 7 размещено внутри нагревателей 4. Входы во внутренние полости экранов 5 и 6 подсоединены к высокотемпературному гидравлическому насосу 8 и водонагревательному баку 9 с помощью гибких теплоизолированных шлангов 10, 11, 12. Водонагревательный бак 9 снабжен блоком 14 для создания и поддержания температуры воды в нем на уровне , а также пробкой 15 для залива воды в бак 9. Выходы из полости обеих экранов объединены вместе с помощью теплоизолированного шланга 13 и соединены с водонагревательным баком 9 с нижней стороны через охлажденный водой конденсатор водяного пара 16, а с верхней стороны через пароэжекторный вакуумный насос 18 и другой охлаждаемой водой конденсатор водяного пара 17. При этом вход в пароэжекторный вакуумный насос 18 соединен трубопроводом 19 с незаполненной водой верхней частью водонагревательного бака 9. На выходящем из экранов 5 и 6 трубопроводе установлен манометр 20 и предохранительный клапан 21.

Вакуумная высокотемпературная нагревательная камера работает следующим образом. Загрузка обрабатываемого изделия 7 в корпусе камеры 1 осуществляется через открытую откидную дверь 2. Откачка воздуха из объема нагревательной камеры до предельного остаточного давления осуществляется с помощью вакуумного откачного поста 3. Одновременно с включением откачки вода подогретая до 99°С, в водонагревательном баке 9 с помощью высокотемпературного гидравлического насоса 8 через гибкие теплоизолированные шланги 10, 11, 12 подается во внутренние полости экранов 5 и 6. Включается нагрев камеры до заданной рабочей температуры. Обрабатываемое изделие 7 нагревается за счет теплового излучения от нагревателей 4, при этом внутренние стенки корпуса камеры 1 и откидной двери 2 защищают от нагрева охлаждаемые теплозащитные экраны 5 и 6, в которых циркулирующая вода нагревается до своей температуры кипение ≈100°С. Повышенная интенсивность теплообмена и образования пузырьков пара на внутренних поверхностях полых экранов 5 и 6 обеспечивается за счет шероховатости, полученной путем ее пескоструйной обработки. При превращении воды в пар коэффициент теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении достигает огромной величины более 100000 Вт/м², это обусловлено большой удельной теплотой фазового перехода и интенсивного перемешивания жидкости растущими и отрывающимися пузырьками пара.

Так как в процессе кипения величина температуры воды 100°С остается постоянной, то все количество теплоты, которое подводится к экранам 5,6 расходуется на парообразование, что и позволяет отводить от них тепловой поток большой мощности при постоянной температуре. При температуре 100°С тепловое излучение от экранов 5,6 на внутренние стенки корпуса 1 и дверь 2 нагревательной камеры будет минимальным. Выходящая из экранов парожидкостная смесь поступает с нижней стороны в охлаждаемый водой конденсатор 16, в котором превращается в воду и стекает в водонагревательный бак 9, а с другой верхней стороны поступает в пароэжекторный вакуумный насос 18, где энергия пара при давлении ~ 4атм. преобразуется в энергию движения струи. При этом паровая струя через трубопровод 19 захватывает не успевшие сконденсировать пары воды из верхней не заполненной водой части водонагреваемого бака 9 и направляется в сопло Лаваля насоса 18, где они тормозятся с частичным преобразованием кинематической энергии в потенциальную. После сопла пары воды поступают в охлаждаемый водой конденсатор 17, где превращаются в воду и стекают в водонагревательный бак 9.

Температура воды 99°С в водонагревательном баке 9 обеспечивается посредствам блока создания и поддержания температуры воды 14.

Через пробку 15 в бак 9 заливается необходимое количество воды. На выходящем из экранов 5 и 6 трубопроводе установлены манометр 20 для контроля давления пара и предохранительный клапан 21. Выключение установки осуществляется в обратном порядке.

Существенные преимущества применяемой системы защиты внутренних стенок нагревательной камеры от теплового излучения нагревателей при высоких температурах:

- обеспечение постоянной температуры на экранах ≈ 100°С;

- отсутствие термических деформаций экранов;

- повышенный ресурс работы такого вида теплоизоляции;

- дополнительное использование энергии водяного пара для откачки из водонагревательного бака не успевших сконденсироваться паров воды для их повторной конденсации.

Данное изобретение с наибольшим эффектом можно использовать в промышленных высокотемпературных нагревательных камерах при обработке изделий при температурах нагрева в диапазоне от 2000°-3000°С.